基于MCGS、PLC和變頻器的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱志祥

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán) 太西炭基工業(yè)有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

1 前言

神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)太西炭基工業(yè)有限公司生活供水系統(tǒng)由三臺(tái)22KW的水泵組成，一直采用手動(dòng)操作方式，分時(shí)段切換電機(jī)進(jìn)行供水，造成能源浪費(fèi)嚴(yán)重，且由于頻繁開(kāi)、停水泵，導(dǎo)致水泵因負(fù)荷突變而縮短使用壽命，同時(shí)使管網(wǎng)經(jīng)常受到較大的壓力沖擊，不能有效根據(jù)水位及管網(wǎng)需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)供水量和供水壓力。為使公司生活供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，需要設(shè)計(jì)了一種恒壓供水系統(tǒng)，其能夠根據(jù)瞬時(shí)變化的用水量，對(duì)水泵出口的流量以及壓力進(jìn)行一定的改變，同時(shí)還可以保持其水壓能夠一直在其設(shè)定的范圍之內(nèi)。

2 供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

供水系統(tǒng)有三臺(tái)水泵，用于加壓供水，每個(gè)水泵進(jìn)水側(cè)配套手動(dòng)閥，出水側(cè)配有止回閥。在正常進(jìn)行供水的時(shí)候，所有的手動(dòng)閥均是處在開(kāi)啟狀態(tài)下的，只要在對(duì)水泵進(jìn)行檢修的時(shí)候，才會(huì)處于關(guān)閉狀態(tài)。另外在蓄水池中還設(shè)有液位控制開(kāi)關(guān)，一旦之中的水位過(guò)低的時(shí)候，就會(huì)直接向PLC發(fā)送信號(hào)，以能夠是系統(tǒng)停機(jī)，以免出現(xiàn)水泵抽空情況。在水泵現(xiàn)場(chǎng)安裝有操作箱進(jìn)行就地控制，操作箱上設(shè)置“手動(dòng)/自動(dòng)”切換開(kāi)關(guān)，以提高系統(tǒng)可靠性，當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，供水泵仍能正常運(yùn)行，而不影響正常工作。

3 恒壓供水原理

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)以PLC為控制核心，通過(guò)上位機(jī)設(shè)定所需壓力值，其壓力信號(hào)可以利用在輸水管網(wǎng)上所安裝的壓力傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)化成為是4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，其次在經(jīng)過(guò)一系列的信號(hào)處理，并且通過(guò)PLC的A/D擴(kuò)展單元，將其再次轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號(hào)同時(shí)輸送到PLC之中。這些信號(hào)在PLC中，將會(huì)和PLC中由RS485網(wǎng)絡(luò)所傳輸?shù)脑O(shè)定值進(jìn)行比較和運(yùn)算，其調(diào)節(jié)參數(shù)將會(huì)由數(shù)字控制的PID算法得出，隨后通過(guò)PLC的D/A擴(kuò)展單元進(jìn)行轉(zhuǎn)變之后，傳送到變頻器中進(jìn)行頻率輸出，以能夠?qū)λ秒姍C(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而確保管網(wǎng)壓力和給定壓力是相同的。

4 恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)主電路圖

本設(shè)計(jì)采用一臺(tái)22KW的ABB公司的ACS510系列變頻器作為控制系統(tǒng)的核心，采用5SJ63D斷路器及3TB40交流接觸器作為主要電氣元件。水泵電機(jī)M1、M2、M3的工頻運(yùn)行分別是被交流接觸器KM1、KM3以及KM5進(jìn)行控制的，水泵電機(jī)M1、M2以及M3的變頻運(yùn)行分別是被交流接觸器KM2、 KM4以及KM6進(jìn)行控制的。PLC程序則可以對(duì)電機(jī)的工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行進(jìn)行控制的，另外這些運(yùn)行也可以是由手工進(jìn)行切換。恒壓供水系統(tǒng)主電路如圖1所示。

4.2 系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)控制電路采用西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-200作為控制核心，主機(jī)單元CPU222有8個(gè)輸入點(diǎn)，6個(gè)輸出點(diǎn)，擴(kuò)展單元EM222有8個(gè)輸出點(diǎn)，模擬單元EM235有4個(gè)輸入點(diǎn)，1個(gè)輸出點(diǎn)。在PLC系統(tǒng)之中，存在一路對(duì)變頻器進(jìn)行控制的模擬量輸出，同時(shí)還有兩路模擬信號(hào)進(jìn)行輸入，其中一路是水壓，另外一路是水位，這些輸入的開(kāi)光量存在接觸器狀態(tài)，其中包括手動(dòng)按鈕、故障信號(hào)以及閥門(mén)位置等信號(hào);其輸出的開(kāi)關(guān)量接觸控制信號(hào)包括有電動(dòng)閥全開(kāi)、全關(guān)以及水泵變頻、工頻等。

4.3 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的3臺(tái)水泵中，最多只能有2臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行，且只有1臺(tái)水泵在變頻調(diào)速器的控制下變頻運(yùn)行。如果在其啟動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)之后，PLC就會(huì)立即將變頻接通器進(jìn)行接通，從而對(duì)變頻器進(jìn)行供電，同時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)M1進(jìn)行軟啟動(dòng)，進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行。如果實(shí)際用水量已經(jīng)超過(guò)了電動(dòng)機(jī)M1的最大供水量的時(shí)候，那么壓力傳感器所檢測(cè)到壓力信號(hào)就會(huì)一直比壓力設(shè)定值大，PLC系統(tǒng)就會(huì)把開(kāi)泵信號(hào)輸出，工頻水泵將會(huì)替換運(yùn)轉(zhuǎn)中的變頻水泵，隨后就會(huì)在另一臺(tái)水泵就會(huì)在變頻器輸出端進(jìn)行接通，同時(shí)進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行，依次類(lèi)推。另外在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，水泵一直進(jìn)行的都是軟啟動(dòng)，以能夠先啟動(dòng)先停止，實(shí)現(xiàn)循環(huán)運(yùn)行，這樣每一臺(tái)水泵的運(yùn)行時(shí)間都是相同的。

水位變化將會(huì)被在蓄水池上安裝的浮球水位計(jì)轉(zhuǎn)化成為電信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理，通過(guò)PLC把這些信號(hào)傳入到A/D擴(kuò)展單元之中，在其進(jìn)行過(guò)模擬轉(zhuǎn)換之后，再次由PLC進(jìn)行讀入，同時(shí)和低水位設(shè)定值進(jìn)行比較。

4.4 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的上位監(jiān)控系統(tǒng)由MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視閥門(mén)、水泵的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)，讀出水壓及流量、閥門(mén)的開(kāi)度、水池水位等參數(shù)，并有各種報(bào)警實(shí)時(shí)顯示和記錄。PC機(jī)采用研華IP610，系統(tǒng)平臺(tái)為windows2000，考慮到監(jiān)控距離較遠(yuǎn)，PC機(jī)與PLC之間選用RS485網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。

5 結(jié)束語(yǔ)

這一系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是對(duì)變頻調(diào)速進(jìn)行使用，以此對(duì)恒壓供水進(jìn)行支持，以對(duì)原有系統(tǒng)供水管網(wǎng)之中通常發(fā)生的超壓會(huì)哦這低壓現(xiàn)象進(jìn)行了消除，從而對(duì)管網(wǎng)壽命的延長(zhǎng)產(chǎn)生有利作用，對(duì)管網(wǎng)和閥門(mén)等部位的損壞率進(jìn)行降低。同時(shí)三臺(tái)水泵的軟啟動(dòng)僅僅使用一臺(tái)變頻器即可實(shí)現(xiàn)，大大降低了電極和電網(wǎng)受到啟動(dòng)電流的沖擊，以對(duì)電機(jī)使用壽命進(jìn)行了延長(zhǎng)。踐證明了設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠根據(jù)瞬時(shí)變化的用水量，采用PLC以及變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵轉(zhuǎn)速和啟動(dòng)臺(tái)數(shù)的調(diào)節(jié)和控制，對(duì)水泵出口的流量和壓力進(jìn)行改變，并使供水壓力保持在安全的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了供水系統(tǒng)的自動(dòng)控制。